碳纖維混凝土抗折性能試驗研究

譚鴻釷，唐天國，嚴成美

（1. 四川大學 建筑與環(huán)境學院，四川 成都 610065；2. 四川大學 經(jīng)濟學院，四川 成都 610065）

0 引言

水泥混凝土路面材料可以被看做是支撐在彈性地基上的彈性薄板，在行車荷載與溫度變化的影響下，會產(chǎn)生壓應力與彎拉應力，混凝土面板所受壓應力與混凝土的抗壓強度相比很小，而所受的拉彎應力與抗折強度的比值則大得多，在壓應力遠未達到抗壓強度的情況下拉彎應力達到抗折強度，從而導致混凝土面板開裂。[1-3]

各類荷載例如超載、沖擊、振動、疲勞或基層約束、溫差應力、濕差應力、路基沉降等因素導致的混凝土路面結(jié)構(gòu)性的破壞，促使我們進行對混凝土路面及其抗折性能的研究[2]，而依靠傳統(tǒng)的增加混凝土強度等級來增大混凝土的抗折強度已經(jīng)不能滿足需求。[4-5]

碳纖維作為一種新型材料有著極高的抗拉強度，采用短切碳纖維絲可作為外摻料添加到混凝土中，本試驗擬在混凝土材料中摻入新型碳纖維材料，開展抗折性能的研究。[6-7]

1 試驗目的

本試驗旨在參考技術(shù)較為成熟的鋼纖維混凝土工藝，將碳纖維材料摻入混凝土，以提高其抗折強度，并進行碳纖維混凝土的抗折性能研究，利用傳統(tǒng)混凝土抗折強度測量方式測量新型纖維混凝土抗折強度，為工程用纖維混凝土提供抗折強度參考。纖維材料的基本性能參數(shù)見表 1。

2 試驗概述

2.1 試驗分組及條件

本試驗試件分 C25、C30 兩批，每批分摻量 0% 對照組、0.6% 試驗組與 1.2% 試驗組共三組，每批試驗澆筑試件共十個，三個為 0% 對照組，三個為 0.6% 試驗組，四個為 1.2% 試驗組，同批次澆筑試件除纖維摻量外所有原料及養(yǎng)護條件均相同。碳纖維混凝土試件外觀見圖 1，試件斷面見圖 2。

表 1 纖維材料基本參數(shù)

圖 1 碳纖維混凝土試件

圖 2 試件斷面

2.2 試驗設備及試件尺寸

YAW-5000 壓力試驗機，試驗混凝土尺寸 150mm×150mm×550mm。

2.3 本試驗碳纖維混凝土制作方式

（1）材料：試驗混凝土為 C25 與 C30 兩種強度混凝土，采用 P·O42.5 水泥，使用中砂，最大粒徑31.5mm 碎石，6mm 與 10mm 短切碳纖維絲。

（2）纖維用量：本試驗纖維摻量按混合纖維體積進行計算，每批混凝土實際摻量分 0%、0.6%、1.2% 三組。

（3）攪拌：本試驗采用人工攪拌，先將水泥、粗細集料和水按照 C25 與 C30 計算配合比進行攪拌，待攪拌均勻后，將兩種短切纖維占比各 50% 的混合纖維按照計算摻量均勻加入。

（4）振搗：本試驗使用混凝土振動臺進行振搗，大部分纖維材料呈二維亂向分布，少部分呈三維亂向分布。

（5）養(yǎng)護：本試驗混凝土三天凝固后進行人工脫模，之后進行浸水養(yǎng)護 28d。

（注：試件澆筑過程不使用外加劑）

2.4 抗折強度測試方法

混凝土力學試驗按照規(guī)范 GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，對養(yǎng)護 28 天的抗折標準試件進行強度測試，試件下邊緣斷裂位置均位于兩集中荷載作用線之間（見圖 3），按式 (1) 計算。

圖 3 試件抗折示意圖

式中：ff——混凝土抗折強度，MPa；

F——試件被破壞荷載，N；

L——支座間跨度，mm；

h——試件截面高度，mm；

b——試件截面寬度，mm。

2.5 試驗測試結(jié)果

C30 批對照組與 1.2% 試驗組荷載—位移圖分別見圖 4、5。試驗試件實測荷載數(shù)據(jù)見表 2。試驗試件計算抗折強度見表 3。抗折強度—碳纖維摻量曲線見圖 6。

圖 4 C30 批對照組 1 號試件荷載—位移圖

圖 5 C30 批 1.2% 試驗組 1 號試件荷載—位移圖

表 2 試驗實測荷載值

表 3 試驗計算抗折強度

圖 6 抗折強度—碳纖維摻量曲線

3 結(jié)論

本試驗向普通素混凝土中添加碳纖維進行纖維混凝土制作并測量其抗折強度，得到以下結(jié)論：

（1）相比于普通混凝土，添加了碳纖維材料的混凝土抗折強度有明顯提高，C30 混凝土添加體積摻量0.6% 碳纖維試驗組試件，相比摻量 0% 對照組抗折強度提升比例約 19.26%，體積摻量 1.2% 試驗組提升比例約 31.25%。

（2）碳纖維混凝土的抗折強度不僅取決于纖維材料的摻量，還取決于纖維材料分布狀態(tài)。碳纖維均勻亂向分布或者平行于軸線方向均勻分布能夠較大提高混凝土抗折強度，而攪拌不夠均勻或者其他原因?qū)е碌奶祭w維成團、分布不均會導致第一批試樣中強度下降的結(jié)果，其原因是纖維成團之后纖維本身并無粘結(jié)力且摩擦系數(shù)過小，而水泥砂漿與骨料之間的接觸面積減小，從而導致混凝土抗彎折能力的削弱。

（3）摻纖維后每方 C30 混凝土在提升抗折強度20% 時，需要添加 0.6% 即 6L 碳纖維材料約合 1.2kg，提升強度 30% 時，需添加 1.2% 即 12L 碳纖維材料約合2.4kg，市面可購的直徑 7μm 的 6mm 和 10mm 短切碳纖維價格約 140 元/kg，碳纖維混凝土造價相對于普通道路混凝土較貴，建議用于飛機跑道等易承受重壓沖擊的場合。